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今日，“人类细胞图谱”（Human Cell Atlas，简称HCA）联盟在《自然》及一系列子刊中报告了首个HCA细胞草图的重要进展，以专题形式同时上线了40多篇同行评审论文，堪称“重磅”！HCA联盟指出，这些高度互补的研究论文代表了我们对人体的认识有了一次里程碑式的飞跃。
▲人类细胞图谱专题登上了最新一期《自然》封面（图片来源：Nature官网/Cover artwork: Claire Agosti (SayoStudio); concept: Ania Hupalowska）
国际合作创建“细胞地图”
细胞是生命的基本单位，人体由37.2万亿个细胞组成，不同的细胞类型有其独特的功能。2016年，当时任职于英国威康桑格研究所（Wellcome Sanger Institute）的细胞生物学家Sarah Teichmann博士和基因泰克（Genentech）公司的Aviv Regev博士共同发起了“人类细胞图谱“计划，旨在为人体中的每种细胞类型都建立一个生物学图谱，作为了解人类健康以及诊断、检测和治疗疾病的基础。
目前，已有来自100多个国家地区的3600余名科学家参与HCA项目，合作描绘了来自10000多名捐献者的1亿多个细胞的细胞图谱。利用尖端的单细胞和空间转录组学技术，研究人员揭示了单个细胞内的20000个基因有哪些处于开启状态，从而为每种细胞类型创建独一无二的“身份证”，并绘制细胞在器官和组织中的精确位置图。
▲人体回肠样本中的血管，免疫荧光染色以品红色显示内皮细胞（以 CDH5 标记），以青色显示平滑肌细胞（以 ACTA2.1 标记）（图片来源：Ana-Maria Cujba）
此次新发表的论文专题重点介绍了3个关键领域的近期发现，包括新的数据集、新的分析工具以及对特定器官或系统的综合分析，包括了骨骼的形成过程和关节炎的起源，大脑成熟过程中的变化，胎盘如何发育并为胚胎提供营养和保护，胸腺在出生前后的组织结构变化，肠道和血管细胞的新状态，肺对呼吸道病毒的反应，基因变异对疾病的影响，等等。这些图谱包含了发育和老化等时间线索，不同组织结构的空间信息，还有健康和疾病的不同状态。更为关键的是，研究人员开发了整合数据集的新方法，用于深入挖掘数据，获得生物学和临床洞见。
▲人类细胞图谱项目旨在绘制人类器官和组织在整个生命过程中以及在健康和疾病中的“细胞地图”（图片来源：参考资料[1]）
《自然》期刊强调，这些进展将对未来产生诸多潜在影响，例如推动我们从细胞多样性的角度更好地理解个体对治疗的不同反应，从细胞水平上研究疾病的遗传基础，开创精准医疗的新时代。
过去几年里，HCA已取得多项成果，这里有学术经纬的相关报道：
第一份人类骨骼发育图谱
最新发表的论文合集中，一个重要的主题是在细胞层面绘制人体组织的发育图谱。
例如在这篇《自然》论文中，研究团队创建了首张人类骨骼发育图谱，绘制出了对颅骨和身体骨骼生长至关重要的细胞类型，揭示各个部位的骨骼如何形成、软骨如何为身体骨架的发育提供支持、导致关节长期疼痛的骨关节炎是怎么出现的。
例如，研究人员发现在早期骨细胞中激活的某些基因可能与成年后罹患髋关节炎的风险增加有关。而早期软骨细胞中的一些基因有修复软骨的作用，它们与膝关节炎发病风险的增加更有关系。在大多数情况下，由于成年人无法生长出新的细胞来修复受损的软骨，因此膝关节磨损后只能进行手术，而这些针对特定细胞的发现将有助于开发出培育骨骼和软骨细胞的有效方法，在未来找到新的治疗方法。
相关数据集还可以用于研究各种药物在孕期使用时是否会影响骨骼生长，哪些基因突变可能导致新生儿颅骨过早闭合从而限制大脑的生长。
“这是一份独一无二的骨骼图谱，免费公开，为软骨、硬骨和关节在妊娠头三个月的发育提供了新线索，首次详细介绍了相关的细胞和通路。”目前任职于剑桥大学干细胞研究所的Sarah Teichmann教授是这篇论文的共同通讯作者，她指出，“该图集结合了尖端的空间技术和基因分析，可供全球研究界使用。这一详细的骨骼发育时空图集与其他研究相协调，使整个人类细胞图集计划向全面了解人体在发育、健康和疾病方面的情况又迈进了一步。”
胃肠道与大脑类器官图谱
人工智能助力细胞分类
HCA联盟在其官方网站指出，此次发布的研究进展为建立完整的人类细胞图谱奠定了重要基础，展示了已有的大规模开放数据，并强调了迄今为止取得的方法学进展、生物学和临床洞见。
参考资料：
[1] Cellular atlases of the human body. Retrieved Nov. 21, 2024 from https://www.nature.com/articles/s41586-024-08189-z
[2] Ken To et al., A multiomic atlas of human embryonic skeletal development. Nature (2024) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08189-z
[3] Nadav Yayon et al., A spatial human thymus cell atlas mapped to a continuous tissue axis. Nature (2024) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07944-6
[4] Early skeleton map reveals how bones form in humans. Retrieved Nov. 21, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1065209
[5] Amanda Oliver et al., Single-cell integration reveals metaplasia in inflammatory gut diseases. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07571-1
[6] Zhisong He et al., An integrated transcriptomic cell atlas of human neural organoids. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08172-8
[7] Heimberg et al., A cell atlas foundation model for scalable search of similar human cells. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08411-y
[8] Ergen et al., Consensus prediction of cell type labels in single-cell data with popV. Nature Genetics (2024). https://doi.org/10.1038/s41588-024-01993-3
[9] Fischer, F., Fischer, D.S., Mukhin, R. et al. scTab: Scaling cross-tissue single-cell annotation models. Nat Commun 15, 6611 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51059-5
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